从保障食品供应到预防医院感染，对抗抗生素耐药性细菌的挑战越来越大。一些细菌可以形成生物膜，即数百万个单个细胞的厚厚聚集物，周围有保护性粘液状物质，容易粘附在表面。形成这样的生物膜是细菌抵抗治疗的关键策略。

密集的层状菌落保护细菌免受免疫细胞的侵害，并降低防腐剂和抗生素的有效性。“一旦生物膜形成，其结构就会起到屏障的作用，使药物极难穿透并杀细菌，”国家先进工业科学与技术研究所(AIST)首席研究员ChisatoTakahashi博士解释说。生物膜的非凡弹性促使研究人员寻求超越传统抗生素的创新解决方案。

冲绳科学技术研究所(OIST)和AIST的科学家团队在他们最近发表在《纳米尺度》杂志上的论文中开发了一种对抗耐药细菌的新方法。

为了克服传统抗生素的缺点，研究人员开发了一种独特的纳米颗粒，它结合了多种杀细菌的机制。

“我们将银粒子封装在Soluplus的聚合物外壳内，并将抗生素阿奇霉素注入其中。这种创新的封装策略使纳米粒子的抗菌活性稳定且高效，”Takahashi博士说。

在之前的研究中证明了这些纳米粒子的稳定性之后，是时候测试它们的有效性了。“我们选择了两种众所周知的细菌，它们往往会导致严重的医院内感染：大肠杆菌和表皮葡萄球菌，”OIST微生物/生物/纳米流体部门的博士后学者、这项研究的第一作者MuraliMohanJaligam博士说。

纳米粒子释放的银离子会破坏细菌的细胞膜、破坏其DNA并使蛋白质。图片来源：ChisatoTakahashi(AIST)、Mohan等人。2024年，Nanoscale

这些细菌因在导管和外科植入物等表面形成坚韧的生物膜而臭名昭著，导致人体内出现严重的、难以治疗的感染。抗生素在清除细菌方面具有高度特异性，这限制了细菌感染期间可用的治疗选择，当出现抗生素耐药性时，这种限制变得尤为严重。

在这些情况下，尖端纳米粒子可以超越传统方法。

“我们的纳米粒子可以进行双重攻击——用抗生素和银离子同时攻击细菌细胞。封装聚合物确保了稳定性，并防止纳米粒子结块，从而提高了它们的有效性，”OIST微/生物/纳米流体部门负责人AmyShen教授说。

只有通过将银、抗生素和聚合物结合起来，研究人员才能赋予纳米粒子穿透和破坏细菌生物膜的独特能力。

Takahashi博士补充道：“并不是任何纳米粒子都能达到这样的效果。”

研究人员使用扫描电子显微镜和光密度测量来观察纳米粒子如何破坏生物膜。虽然这些方法已经很成熟，但它们可能很耗时，并且需要用特殊染料对样品进行染色。开发激光诱导石墨烯(LIG)电极使该团队能够克服现有的技术限制。

Jaligam博士解释说：“我们创建了一个微型、高灵敏度的LIG电极系统，能够实时监测细菌活动。”这些电极具有较大的表面积，为细菌提供了形成生物膜的理想基础，并且导电性强，因此可以轻松测量电荷的流动。

由于腐烂的细菌产生的电化学信号与完整的细菌不同，电极可以在电流变化时检测出细菌细胞的分解。这种方法比传统的评估抗菌活性的方法更快、更准确，而且不需要对细菌进行染色。

Shen教授指出：“我们的LIG传感器技术为检测和管理细菌污染和生物膜提供了一种高效、可扩展且经济实惠的解决方案。”这些特性为电极的使用开辟了多个领域，例如癌症筛查。同样，纳米粒子的潜在用途不仅限于对抗医院内感染，例如，它可以用于涂覆医疗设备，以防止生物膜的形成。

“抗生素耐药性继续对全球健康构成严重威胁，但像这样的突破提供了一条充满希望的前进道路。我们的研究展示了合作、跨学科研究的潜力，可以解决我们目前在现代医学中面临的一些最紧迫和最复杂的挑战，”沈教授说。